فهرست مطالب

مجله مهندسی مکانیک امیرکبیر
سال پنجاه و پنجم شماره 2 (اردیبهشت 1402)

  • تاریخ انتشار: 1402/02/01
  • تعداد عناوین: 6
|
  • علی طالع زاده لاری، علی نیک بخت* صفحات 159-178
    در پژوهش حاضر، فرآیند خودترمیمی نمونه های کامپوزیتی ساخته شده از الیاف شیشه-اپوکسی بررسی شده است. عامل ترمیمی دوجزیی شامل رزین اپوکسی ML506 و هاردنر HA-11 بوده که درون میکرولوله هایی ذخیره و بین لایه های اول و دوم و نیز لایه های پنجم و ششم نمونه ها قرار گرفتند. آسیب اولیه توسط آزمون ضربه افتان ایجاد شده و با انجام آزمون کشش میزان بازیابی استحکام کششی نمونه ها بررسی شده است. اثر تعداد میکرولوله های حاوی عوامل ترمیم کننده، مدت زمان ترمیم (بدون اعمال سیکل حرارتی) و اعمال سیکل حرارتی بر فرآیند ترمیم مورد مطالعه قرار گرفت. نمونه هایی حاوی 8، 16 و 32 واحد ترمیمی در بازه های زمانی 1، 6 و 12 روزه بررسی و تعدادی از نمونه ها نیز پس از ایجاد آسیب اولیه، تحت 1، 3، 5 و 7 سیکل حرارتی قرار گرفته و پس از بازه زمانی یک روزه، آزمون کشش آنها انجام شد. نتایج نشان می دهد که بدون اعمال سیکل حرارتی فرآیند ترمیم پس از بازه 6 روزه با بازیابی 83 درصدی تقریبا کامل می شود. هرچند بیشترین میزان بازیابی 86% و برای نمونه حاوی 32 واحد ترمیمی و بعد از 12 روز حاصل می شود. همچنین می توان با اعمال 5 سیکل حرارتی بر نمونه آسیب دیده دارای 32 واحد ترمیم پس از گذشت یک روز تقریبا به همین میزان ترمیم دست یافت. ضمنا تاثیر سیکل حرارتی تا سیکل پنجم بوده و اعمال سیکل های بیشتر تاثیر چندانی بر بازده فرآیند ترمیم ندارد.
    کلیدواژگان: کامپوزیت، مواد خودترمیم، ضربه افتان، بازیابی استحکام کششی، سیکل حرارتی
  • رضا جعفری ندوشن*، محمدجواد عبقری صفحات 179-192

    مواد آکزتیک با نسبت پواسون منفی به عنوان یکی از انواع فرامواد به دلیل خواص مکانیکی جذاب و قابل توجه، توجه بسیاری از محققین را به خود جلب کرده اند. سازه های صلب چرخنده یکی از انواع مواد آکزتیک هستند که با تنظیم متغیرها، رفتار همسانی را در جهات مختلف نشان می دهند، اما این سازه ها بدلیل استفاده از بلوک های صلب دارای چگالی نسبی زیادی می باشند. از طرفی علی رغم چگالی نسبی بالا این سازه ها در اتصالات اجزای چرخنده به یکدیگر ضعیف بوده و دارای سفتی و استحکام بالایی نیستند و با توجه به چگالی نسبی بالا خواص ویژه مکانیکی کمی دارند. در این پژوهش یک ساختار مشبک جدید با الهام از سازه های صلب چرخنده ولی با چگالی نسبی بسیار کمتر ایجاد گردید. برای کاهش چگالی نسبی در این ساختار بجای بلوک های صلب از المان های میله ای استفاده شده است. ساختار جدید با استفاده از فرآیند چاپ سه بعدی ساخته شد و تحت آزمایش کشش قرار گرفت. با عکس برداری از ساختار قبل و در حین تغییرشکل، ضریب پواسون آن اندازه گیری گردید .همچنین با روش اجزای محدود، رفتار تغییرشکل ساختار پیشنهادشده شبیه-سازی و با نتایج تجربی مقایسه شد. هر دو روش نشان دهنده رفتار آکزتیک ساختار جدید هستند. در ادامه مکانیزم تغییرشکل ساختار و همچنین محدوده ای از شکل ساختار که رفتار آکزتیک در آن مشاهده می شود بررسی گردید.

    کلیدواژگان: ساختارهای آکزتیک، نسبت پواسون منفی، ساختار مشبک، چاپ سه بعدی، شبیه سازی اجزای محدود
  • محمد مصعب درعلیزاده، علیرضا فتوحی*، مصطفی غیور صفحات 193-212

    با توجه به حضور گسترده تیرها در سازه‎های مهندسی، درک چگونگی ارتعاشات غیرخطی تیرها در شرایطی که آنها با دامنه زیاد نوسان می‎کنند، بسیار مفید است. در این مقاله ارتعاشات غیرخطی یک تیر اویلر برنولی تحت فرضیه کرنش محدود بررسی شده است. در این پژوهش برای به دست آوردن معادلات حاکم بر حرکت تیر، رابطه میدان-جابجایی بدون تقریب و به صورت غیرخطی در نظر گرفته شده است. روابط کرنش-جابجایی با استفاده از رابطه گرین لاگرانژ محاسبه شده و با استفاده از روش همیلتون فرم غیرخطی معادلات به دست آمده است. به منظور حل معادله با مشتقات جزیی، با استفاده از روش گالرکین، معادله با مشتقات جزیی به یک معادله دیفرانسیل معمولی تبدیل شده است و در نهایت با استفاده از روش مقیاس‎ های چندگانه حل و با روش عددی مقایسه شده است. نتایج به دست آمده با مدل تیر اویلر برنولی خطی و مدل غیرخطی ون-کارمن مقایسه شده است. نتایج به دست آمده نشان می‎دهد باتوجه به شکل متفاوت معادله دیفرانسیل به دست آمده در این روش نسبت به دیگر مدل‎های غیرخطی و خارج شدن شکل کلی آن نسبت به معادله دیفرانسیل دافینگ، پاسخ ارتعاشات سیستم در دامنه ‎های ارتعاشی پایین منطبق با دیگر مدل‎های غیرخطی است ولی با افزایش دامنه نوسانات فرکانس نوسانات در مدل حاضر نسبت به مدل غیرخطی ون کارمن کمتر می‎شود درحالی که در دیگر مدل غیرخطی نسبت به مدل ون-کارمن، فرکانس بیشتر می‎شود.

    کلیدواژگان: تیر اویلر برنولی، تغییرشکل محدود، ارتعاشات غیرخطی، جابجایی بزرگ، پاسخ فرکانسی
  • نیلوفر سلمانپور، سید جعفر روزگار* صفحات 213-234
    در این مقاله، یک حل تحلیلی برای خمش ورق پیزوالکتریک مدرج تابعی تحت بار جانبی گسترده یکنواخت؛ دارای دو لبه موازی با تکیه گاه ساده و دو لبه با شرایط مرزی دلخواه ارایه می شود. تیوری اصلاح شده پنج متغیره برای بیان میدان جابجایی به کار می رود. این تیوری با وجود تعداد متغیر کم، تنشها و کرنشهای برشی جانبی در راستای ضخامت را به صورت سهموی پیش بینی می کند و تاثیر کشش در راستای ضخامت ورق را نیز در نظر می گیرد. با استفاده از اصل همیلتون و معادلات ماکسول، معادلات حاکم به دست آمده و از حل لوی و رهیافت فضای حالت برای حل این معادلات کوپل استفاده می شود. نتایج به دست آمده با سایر تیوری های برشی مرتبه بالا و شبیه سازی اجزای محدود نرم افزار آباکوس مقایسه شده که بدین ترتیب دقت و کارایی روش پیشنهادی تایید می گردد. مشاهده می شود که برای نسبت طول به ضخامت 10 و شاخص توانی 5/0، مقدار تغییرمکان بی بعد ورق با شرط مرزی گیردار 3327/0 است که دارای بیشترین میزان سفتی و کمترین مقدار خیز می باشد در حالیکه مقدار تغییرمکان بی بعد ورق با شرط مرزی آزاد 2036/2 می باشد و در نتیجه کمترین میزان سفتی و بیش ترین مقدار خیز را دارد. به علاوه برای ورق با تکیه گاه گیردار و طول به ضخامت 10 با افزایش شاخص توانی از 5/0 به 10 مقدار تغییرمکان از 3327/0 به 3545/0 یعنی حدود 6 درصد افزایش می یابد.
    کلیدواژگان: رهیافت فضای حالت، تاثیر کشیدگی ضخامت، تئوری ورق اصلاح شده، ورق پیزوالکتریک مدرج تابعی، حل لوی
  • محمدمهدی محمدی*، حمید موسی زاده صفحات 235-256

    تحلیل آیروالاستیسیته صفحه مواد مرکب نازک تحت اثر نقص هندسی و بارهای خارجی، حایز اهمیت می باشد. در این پژوهش اثر نوع و تعداد لایه ها، زاویه الیاف و بار مکانیکی داخل صفحه در ترکیب با نقص هندسی به عنوان یک ترکیب جدید در مباحث آیروالاستیسیته مورد بررسی قرار گرفته است. با استفاده از اصل کار مجازی، روابط حاکم براساس تیوری صفحه نازک کرشهف تعیین شده است. سپس با استفاده از روش مودهای فرضی در تیوری باقی مانده وزنی گالرکین، معادلات دیفرانسیلی جزیی به معادلات دیفرانسیلی معمولی تبدیل شده است. بعد از بی بعد سازی، روابط نهایی با استفاده از روش عددی رانج-کوتا حل شده و نتایج حوزه زمانی برای تعیین رفتار فلاتر و پسا فلاتر صفحه استخراج شده است. نتایج تحلیل نشان داد که نقص هندسی با تولید بار غیر یکنواخت و نامتقارن، نوع لایه چینی، تعداد لایه ها و بارهای مکانیکی در جابجایی مرز فلاتر صفحه موثر است. اثر نقص هندسی محلی در تعیین مرز فلاتر لزوما ناپایدار کننده نیست، بلکه در مواردی بسته به اندازه و مکان نقص، امکان افزایش پایداری در مرز فلاتر صفحه را نیز دارد. به علاوه رفتار دینامیکی صفحه تحت اثر نقص هندسی محلی با اشکال و ابعاد مختلف، بسیار متنوع و متفاوت با نوع نقص کلی (شکل مود اول) یا پوسته با انحنای کوچک است.

    کلیدواژگان: صفحه مواد مرکب ارتوتروپ نازک، تحلیل آیروالاستیک، ضریب حرارتی ویژه، رفتار پسا فلاتر، نقص هندسی
  • بابک تاران، مصطفی برغندان، علی اکبر پیر محمدی*، صالح مبین صفحات 257-282

    بازوهای ماهر موازی به دلایلی مانند دقت و صلبیت بالا، سرعت و شتاب زیاد و در مقابل، اینرسی پایین مورد توجه صنایع مختلف قرار دارند. کنترل این نوع سیستم ها به دلیل داشتن دینامیک پیچیده و غیرخطی با چالش هایی مواجه است. از میان روش های متعدد کنترل مسیر رباتها، روش های گشتاور محاسبه شده و کنترل مد لغزشی از روش های معروفی هستند که پیشنهاد می شوند. اما در کاربردهای عملی وقتی که سرعت ربات افزایش می یابد، تنظیم ضرایب کنترل کننده بسیار مشکل و وابسته به شرایط کاری ربات است و ربات نمی تواند با ضرایب ثابت و از پیش تعیین شده و تحت هر شرایطی به درستی کار کند. نوع مسیر، سرعت ربات در طول مسیر، شرایط اولیه عملگر نهایی ربات نسبت به مسیر و حتی سرعت نمونه برداری داده ها، از جمله عواملی هستند که با تغییر آنها، کنترل کننده دقت خود را از دست می دهد و در نتیجه لزوم باز طراحی و تغییر ضرایب کنترل کننده احساس می گردد. در این مقاله اشکالات این دو روش برای بکارگیری عملی روی یک ربات پنج بازویی موازی بررسی شده و سپس روشی ارایه شده است که بر مبنای روش کنترل مد لغزشی عمل می کند و به روش فازی ضرایب و بهره های کنترل کننده، تنظیم می شوند. عملکرد این روش به دو شکل مدلسازی در نرم افزار MATLAB و پیاده سازی بر روی ربات موازی صفحه ای به صورت آزمایشگاهی بررسی و با سایر روش ها مقایسه شده است.

    کلیدواژگان: کنترل مد لغزشی، کنترل فازی، دینامیک ربات موازی صفحه ای، تنظیم برخط ضرایب کنترل، کنترل مقاوم
|
  • Ali Talezadehlari, Ali Nikbakht * Pages 159-178
    Here the healing process of glass/epoxy composites is studied experimentally. The healing agent is composed of ML506 epoxy resin and HA-11 hardner which is charged into microtubes. The microtubes are interleaved between the first and the second and the fifth and the sixth layers. The initial damage is introduced to the samples by drop weight impact tests and the recovery percentage of the tensile strength due to healing process is measured by tensile test. The effects of healing time (without thermal cycles), number of healing units and thermal cycles are investigated on the recovery of the tensile strength. Composite samples containing 8, 16 and 32 healing units are studied in the periods of 1, 6 and 12 days after the initial damage. Also, some damaged samples are set to 1, 3, 5 and 7 thermal cycles and after one day, tensile tests are carried out. The results show that without thermal cycles the healing process is almost completed after 6 days with an 83% recovery. In addition, the maximum amount of tensile strength recovery is equal to 86% which is related to the samples with 32 healing units after 12 days. This amount of healing efficiency can also be achieved by means of 5 thermal cycles. This is also true for thermal cycles where the effect of thermal cycles is tangible up to 5 cycles.
    Keywords: Composites, self-healing materials, drop weight impact, tensile strength recovery, Thermal cycle
  • Reza Jafari Nedoushan *, MohammadJavad Abghary Pages 179-192

    Auxetic materials with negative Poisson’s ratio, as a group of metamaterials, attracted significant attentions among researchers due to their interesting and remarkable mechanical properties. Rigid rotating structures are a subcategory of auxetic materials which can show the same behavior in various directions by tuning their parameters, but due to using rigid rotating blocks their relative density is high. As the rotating blocks are connected by weak joints, stiffness and strength of these structures are low and considering high relative density of these structures specific mechanical properties are even in worse condition. In this research, novel lattice structures based on rigid rotating structures but with remarkably lower relative density were presented. To reduce relative density of these structures, bar elements were used instead of rigid blocks. 3D printing method was used to manufacture samples with these structures and then tensile test was performed on the samples. Poisson’s ratios of the samples were measured by recording image of the structures before and during deformation. The behavior of the structures was predicted by finite element method and compared with experimental measurements. Both of the methods showed auxetic behavior of the structures. Then deformation mechanism of the structures and the effect of the structures shape on the auxeticity were investigated.

    Keywords: Auxetic structures, Negative Poisson&rsquo, ratio, Lattice structures, 3D printing, finite element modeling
  • Mohammad Masab Doralizadeh, AliReza Fotouhi *, Mostafa Ghayour Pages 193-212

    According to the wide presence of beams in engineering structures, it is very useful to understand how the beams vibrate nonlinearly in conditions where they oscillate with a large amplitude. In this paper, the nonlinear vibrations of an Euler-Bernoulli beam under finite strain are investigated. In this study, unlike other papers, in order to obtain the governing equations of beam, the field-displacement relationship has been done without approximation. Based on this, the strain-displacement relations are calculated using the Green Lagrange strain and the nonlinear form of the equations is obtained by using the Hamilton method. In order to solve the partial differential equation, using the Galerkin method, the equation has been converted to an Ordinary differential equation and finally solved using the multiple scale method and compared with the Rung-Kutta numerical method. To evaluate the accuracy of the method and the validity of the modeling, the obtained results are compared with the Euler–Bernoulli beam theory and the Von-Karman nonlinear model. The results show that the present method in low vibration amplitudes is consistent with the model of Euler-Bernoulli and Von-Karman, but with increasing amplitude of oscillations, the results of these models will be significantly different from each other, which is as expected.

    Keywords: Euler Bernoulli Beam, Finite deformation, nonlinear vibration, Large displacement, Frequency response
  • Niloufar Salmanpour, Seyed Jafar Rouzegar * Pages 213-234
    In this paper, an analytical solution for bending analysis of functionally-graded piezoelectric plate under uniformly-distributed transverse loading with two simply-supported parallel edges and two other arbitrary boundary conditions is presented. The five-variable refined plate theory is employed for describing the displacement. This theory, despite the few numbers of unknown variables, predicts a parabolic distribution for transverse shear stresses across the thickness and also consider the thickness stretching effect. The governing equations are obtained by Hamilton’s principle and Maxwell's equation and these coupled equations is solved using the Levy-type solution in conjunction with the state-space approach. The obtained results are compared with the higher-order shear theories and finite element simulation obtained from Abaqus software which confirms the accuracy and efficiency of the proposed method. It can be seen that for the length-to-thickness ratio of 10 and the power index of 0.5, the value of non-dimensional deflection of the plate with the clamped boundary condition is 0.3327, which has the largest amount of stiffness and the least value of deflection, while the value of the non-dimensional deflection of the plate with two parallel free boundary condition edges is 2.2036 and, as a result, has the lowest amount of stiffness and the highest value of deflection.
    Keywords: State-space approach, Thickness stretching effect, Refined plate theory, Functionally graded piezoelectric plate, Levy solution
  • MohammadMahdi Mohammadi *, Hamid Moosazadeh Pages 235-256

    In this study, the effect of laminate type and number of layers, fiber angle and modulus of elasticity in combination with the effect of global and local geometric defects has been investigated as a new combination in the field of aeroelasticity. Using the principle of virtual work, by directly integrating the problem-solving boundary, the governing equations are determined based on Kirchhoff thin-plate theory. Then, using the assumption mode method in Galerkin's theory, the partial differential equations are converted to ordinary nonlinear differential equations. The final nonlinear equations are solved using the Runge–Kutta numerical method and the time domain results are extracted to determine the flutter and post-flutter behavior of the plate. The results of the analysis showed that the geometric defect with non-uniform and asymmetric load production, the type of layering, the number of layers and mechanical loads are effective on the plane flutter boundary. The effect of local geometric defects in determining the flutter border is not necessarily destabilizing, but in some cases, depending on the size and location of the defect, it is also possible to increase the stability of the plane flutter boundary. In addition, the dynamic behavior of the plate under the effect of local geometric defects with different shapes and dimensions is very diverse and different from the of general defect (first mode shape) or shell with small curvature.

    Keywords: Thin orthotropic composite plate, aerolastic analysis, specific heat coefficient, post-flutter behavior, geometric defects
  • Babak Taran, Mostafa Barghandan, AliAkbar Pirmohammadi, Saleh Mobayen Pages 257-282

    Parallel manipulators are of interest in various industries due to their high precision, rigidity, high speed and low inertia. Controlling these types of systems faces challenges due to their complex and non-linear dynamics. Among the many methods of controlling the path of parallel manipulators, computed torque and sliding mode methods are the famous methods that are proposed. In practical applications, when the speed of the robot increases, adjusting the controller parameters is very difficult and depends on the working conditions of the robot, so the robot cannot work properly with fixed and predetermined coefficients under any condition. The type of path, the speed of the robot along the path, the initial conditions of the end effector of the robot in relation to the path, and even the sampling time are factors that affect the accuracy of the controller, and by changing each of them, it may be necessary to redefine the parameters of the control system and change the control coefficients. In this article, a method is presented which is based on the sliding mode method and the coefficients of the control system are adjusted appropriately by changing the sliding surface and sliding speed using the fuzzy method. The performance of this method has been investigated in two ways: modeling in MATLAB software and real time applying it to a planar parallel robot.

    Keywords: Sliding mode control, fuzzy control, Parallel planar manipulator dynamics, on-line adjusting of controller parameters, Robust control